Le poumon de lézard se forme rapidement grâce à un processus mécanique simple que les chercheurs ont comparé à une balle anti-stress en maille, le jouet commun. Au fur et à mesure que le liquide remplit le poumon en développement, la membrane interne pousse contre le tissu musculaire lisse. Le muscle se sépare en un maillage en forme de nid d’abeilles et la membrane se gonfle à travers les interstices, créant la surface nécessaire aux échanges gazeux. Crédit: Image avec l’aimable autorisation de Celeste Nelson et Michael Palmer
Lorsqu’il s’agit d’étudier les poumons, les humains absorbent tout l’air, mais il s’avère que les scientifiques ont beaucoup à apprendre des lézards.
Une nouvelle étude de université de Princeton montre comment le lézard brun anole résout l’un des problèmes les plus complexes de la nature – la respiration – avec une simplicité ultime. Alors que les poumons humains se développent au fil des mois et des années en structures baroques ressemblant à des arbres, le poumon anole se développe en quelques jours seulement en lobes grossiers recouverts de protubérances bulbeuses. Ces structures semblables à des gourdes, bien que beaucoup moins raffinées, permettent au lézard d’échanger de l’oxygène contre des gaz résiduaires, tout comme le font les poumons humains. Et parce qu’ils se développent rapidement en s’appuyant sur des processus mécaniques simples, les poumons anolis fournissent une nouvelle inspiration pour les ingénieurs concevant des biotechnologies avancées.
“Notre groupe s’intéresse vraiment à la compréhension du développement pulmonaire à des fins d’ingénierie”, a déclaré Celeste Nelson, professeure de la famille Wilke en bio-ingénierie et chercheuse principale de l’étude. « Si nous comprenons comment les poumons se construisent, alors peut-être que nous pourrons tirer parti des mécanismes que mère nature utilise pour régénérer ou modifier les tissus. »
Alors que les poumons des oiseaux et des mammifères développent une grande complexité grâce à des ramifications sans fin et à une signalisation biochimique compliquée, le poumon d’anole brun forme sa complexité relativement modeste grâce à un processus mécanique que les auteurs ont comparé à une balle anti-stress en maille – le jouet commun trouvé dans les tiroirs de bureau et les vidéos de bricolage. L’étude, publiée le 22 décembre 2021, dans la revue Avancées scientifiques, est le premier à examiner le développement d’un poumon de reptile, selon les chercheurs.
Le poumon anole commence quelques jours après son développement sous la forme d’une membrane creuse et allongée entourée d’une couche uniforme de muscle lisse. Au cours du développement, les cellules pulmonaires sécrètent du liquide et, ce faisant, la membrane interne se gonfle lentement et s’amincit comme un ballon. La pression pousse contre le muscle lisse, le faisant se resserrer et se séparer en faisceaux de fibres qui forment finalement un maillage en forme de nid d’abeille. La pression du fluide continue de pousser la membrane extensible vers l’extérieur, se gonflant à travers les interstices du maillage nerveux et formant des bulbes remplis de liquide qui recouvrent le poumon. Ces renflements créent beaucoup de surface où se produit l’échange de gaz. Et c’est tout. L’ensemble du processus prend moins de deux jours et est terminé dans la première semaine d’incubation. Après l’éclosion du lézard, l’air entre par le haut du poumon, tourbillonne autour des cavités, puis reflue.
Pour les ingénieurs qui cherchent à utiliser les raccourcis de la nature au nom de la santé humaine, cette vitesse et cette simplicité constituent un nouveau paradigme de conception radical. L’étude innove également pour que les scientifiques étudient le développement des reptiles de manière beaucoup plus détaillée.
Lorsque Nelson a commencé à étudier les poumons de poulet à la fin des années 2000, la sagesse conventionnelle soutenait que « les poumons de poulet étaient les mêmes que les poumons de souris étaient les mêmes que les poumons humains », a déclaré Nelson. “Et ce n’est pas vrai.”
Désireuse de déstabiliser ces hypothèses, elle a guidé son équipe à poser des questions fondamentales sur la façon dont les poumons de différentes classes de vertébrés se construisent. “L’architecture du poumon des oiseaux est tellement différente de celle du poumon des mammifères”, a déclaré Nelson. Par exemple, au lieu d’un diaphragme, les oiseaux ont des sacs aériens intégrés dans tout leur corps qui agissent comme des soufflets.
Pour adapter l’exquise complexité des poumons aviaires à des outils qui pourraient être bénéfiques pour la santé humaine, Nelson pensait que la science devait aller encore plus loin. La nature avait résolu le problème des échanges gazeux avec deux systèmes radicalement différents. Comment étaient-ils liés ? Et n’y aurait-il pas aussi d’autres systèmes ? Cela a conduit son équipe dans le temps évolutif à la recherche d’une origine commune. Et là était assis le reptile, faisant ce que les reptiles font si bien : se cacher à la vue de tous.
Lorsque Michael Palmer a rejoint le laboratoire en tant qu’étudiant diplômé, il a relevé le défi d’organiser cette étude – littéralement – à partir de zéro. Les alligators se sont avérés trop agressifs. Les anoles verts ont refusé de se reproduire. Après des années de travail préliminaire, Palmer a effectué un voyage en Floride pour capturer des anoles bruns sauvages à la fin de 2019. Lui et son collègue ont traîné dans la boue d’un parc de banlieue, retournant des rochers et des feuilles à la lisière des bois. Ils ont utilisé des pièges en fil dentaire pour capturer une dizaine d’individus et les placer chacun dans leur propre vivarium miniature. Ils ont ensuite ramené les animaux du nord de la Floride à Princeton, où les vétérinaires et le personnel des ressources animales de l’université ont aidé l’équipe à établir une installation permanente d’anoles.
C’est à ce moment-là que Palmer a commencé à examiner les œufs pour cartographier le développement pulmonaire des organismes. En travaillant avec Andrej Košmrlj, professeur adjoint de génie mécanique et aérospatial, ainsi qu’avec l’étudiante diplômée Anvitha Sudhakar, Palmer a utilisé ses observations pour construire un modèle informatique du poumon et comprendre sa physique.
“Nous étions curieux de savoir si nous pouvions apprendre quelque chose sur les bases du développement pulmonaire en étudiant un poumon aussi simple”, a déclaré Palmer, qui a obtenu son doctorat. en génie chimique et biologique plus tôt cette année. Il avait vu des preuves que le muscle lisse jouait un rôle sculptant dans d’autres systèmes, mais dans cette étude, il a pu observer comment cela fonctionnait directement.
“Le poumon de lézard se développe à l’aide d’un mécanisme très physique”, a déclaré Palmer. “Une cascade de tensions induites par la pression et de flambement induit par la pression.” En moins de deux jours, l’organe passe du ballon plat au poumon entièrement formé. Et le processus est suffisamment simple pour que Palmer puisse utiliser son modèle informatique pour créer une réplique fonctionnelle en laboratoire. Alors que le système conçu ne correspondait pas à toute la complexité du système vivant, il s’en est approché.
Les chercheurs ont coulé la membrane à l’aide d’un matériau silicone appelé Ecoflex, couramment utilisé dans l’industrie cinématographique pour le maquillage et les effets spéciaux. Ils ont ensuite recouvert ce silicone de cellules musculaires imprimées en 3D pour créer les mêmes types d’ondulations dans le silicone gonflé que Palmer avait trouvé dans l’organe vivant. Ils ont rencontré des barrières techniques qui ont limité la vraisemblance de leur création, mais à la fin elle était étrangement similaire à l’organe vivant.
Ces humbles lézards de basse-cour avaient inspiré un nouveau type de poumon artificiel et un cadre que les ingénieurs peuvent affiner vers des fins futures inconnaissables.
“Différents organismes ont des structures d’organes différentes, et c’est beau, et nous pouvons en apprendre beaucoup”, a déclaré Nelson. « Si nous comprenons qu’il y a beaucoup de biodiversité que nous ne pouvons pas voir, et que nous essayons d’en tirer parti, alors nous, en tant qu’ingénieurs, disposerons de plus d’outils pour relever certains des défis majeurs auxquels la société est confrontée. »
Référence : « Stress ball morphogenèse : Comment le lézard construit son poumon » par Michael A. Palmer, Bryan A. Nerger, Katharine Goodwin, Anvitha Sudhakar, Sandra B. Lemke, Pavithran T. Ravindran, Jared E. Toettcher, Andrej Košmrlj et Celeste M. Nelson, le 22 décembre 2021, Avancées scientifiques.
DOI : 10.1126/sciadv.abk0161
Le document a été financé en partie par le financement des National Institutes of Health, de la National Science Foundation, du Eric and Wendy Schmidt Transformative Technology Fund et du Howard Hughes Medical Institute. Les autres auteurs incluent Bryan A. Nerger, Katharine Goodwin, Sandra B. Lemke, Pavithran T. Ravindran et Jared E. Toettcher, professeur agrégé de biologie moléculaire.
